用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法測定有機玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)

用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法測定有機玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)摘要：在對準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法測量導(dǎo)熱系數(shù)原理分析的基礎(chǔ)上，本文介紹了用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法測量有機玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)。通過對測量數(shù)據(jù)的處理分析加強了對瞬態(tài)導(dǎo)熱過程特點的理解。實驗結(jié)果表明，該裝置能較準(zhǔn)確地測量試樣的導(dǎo)熱系數(shù)。關(guān)鍵詞：準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法；導(dǎo)熱系數(shù)；有機玻璃Abstract:Onthebasisofanalysisoftheprincipleofthequasi-steadystatetecliiiiqiietomeasurethethennalconductivity,themeasurementofthethermalconductivityoforganicglasswasdescribed.lluouglitheprocessofthedata,theunderstandingofthetransientheatconductionwasstrengthened.Theexperimentalresultsindicatedthattheapparahisisabletomeasurethermalconductivityofthesampleprecisely.Keywords:Quasi-steadystatemethed;Tliermalconductivity;Organicglass0引言導(dǎo)熱系數(shù)作為物質(zhì)的重要物理參數(shù)，在化工、能源、動力工程等領(lǐng)域有著重要的用途，是許多工業(yè)流程和產(chǎn)品設(shè)計中必不可少的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)可以通過實驗測量、理論推算或計算機模擬等方法來獲得，但目前仍然以實驗測量為主。根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)的實驗測量原理，其測量方法大致可以分為穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法。其中，非穩(wěn)態(tài)法由于測量時間短、測量精度可以與穩(wěn)態(tài)法相當(dāng)而得到快速發(fā)展。目前，用于導(dǎo)熱系數(shù)測量的非穩(wěn)態(tài)法有瞬態(tài)熱絲法、探針法和平板準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法等。本文就是介紹利用平板準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法來測量有機玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)并做相關(guān)討論分析。1準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法測量原理在介紹準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法測量導(dǎo)熱系數(shù)原理之前，首先對用該方法測量導(dǎo)熱系數(shù)加熱過程中無限大平板溫度的變化進行分析。設(shè)平板厚度為26,初始溫度為t。，平板兩面受恒定的熱流密度qc均勻加熱（如下圖所示）。根據(jù)導(dǎo)熱微分方程式、初始條件和第二類邊界條件，對于任一瞬間沿平板厚度方向的溫度分布t(x,T)可由下面方程組解得；3t(x,r) a2t(x,r)mTTf =a —mTTfdr dx~t(x,0)=t0'輕￡j負A次o,—o

方程組的解為： ?°8咻小呼等一時+暫(一1嚴(yán)尹昭決咲展)](1)式中：T一一時間；入一一平板的導(dǎo)熱系數(shù)；a一一平板的導(dǎo)溫系數(shù)；t°一一初始溫度;F=—一傅立葉準(zhǔn)則；/Zn=117T,n=l,2、3…；qc一一沿X方向從端面向平板加熱的恒定熱流密度。隨著時間T的延長，F(xiàn)。數(shù)變大，式(1)中級數(shù)和項愈小。當(dāng)Fo>o,5時，級數(shù)和項變得很小，可以忽略，式(1)變成t(x,r)-tot(x,r)-to=(2)由此可見，當(dāng)Fo>O.5后，平板各處溫度和時間成線性關(guān)系，溫度隨時間變化的速率是常數(shù)，并且到處相同。這種狀態(tài)即為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時，平板中心面X二0處的溫度為：平板加熱面X二&處為:t(0,r)-to平板加熱面X二&處為:t(0,r)-tot(m(3)(4)(3)(4)此兩面的溫差為： M=t(5E—1(0,?)=丄?12A己知丄和6,再測出就可以由式(3)求出導(dǎo)熱系數(shù):兄=整￡W/(m?C)2xAt式中 丄一邊界面上常熱流密度，W/m2;入一導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m?°C)；6—無限大平壁厚度的一半，m；△t—無限大平壁變截面與中心平面的溫度差，°C。

測出丄、5>At,既可用上式計算得到入。在理想情況下，這種動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)可以一直保持。而實際上，由于溫度隨時間升高、絕熱層漏熱及四周散熱逐漸顯著而使試樣兩端溫度差A(yù)t發(fā)生變化，系統(tǒng)脫離準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。由于無限大平板只是理論上的假設(shè)，而實際試樣的尺寸總是有限的，因此，在實驗中，往往通過測量試樣兩端面中心處的溫差來得到理論上無限大平板時兩端的溫差。實驗證明，當(dāng)試樣的橫向尺寸為厚度的6倍以上時，兩端散熱對試樣中心溫度的影響己在工程誤差允許的范圍之內(nèi)，可以忽略不計。由式（4）可知：只要測得試樣的厚度、直徑、加熱功率和進入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)后上下底面的溫差，即可求得待測試樣的導(dǎo)熱系數(shù)。2裝置與儀表高電阻箔式加熱器、絕熱體、測本實驗裝置如圖2-1所示。實驗裝置包括有機玻璃試板、試儀表、有機玻璃罩等。高電阻箔式加熱器、絕熱體、測3實驗步驟用游標(biāo)卡尺測量試塊長、寬、厚度，檢查是否滿足長和寬為厚度6?10倍以上，若滿足，將測得的長、寬、厚度值記錄到實驗報告中。檢查標(biāo)準(zhǔn)電阻值、兩個高電阻箔式加熱器電阻值與面積，并記錄到實驗報告中。檢查儀表是否正常，若正常，按圖中接好兩個高電阻箔式加熱器并聯(lián)加熱電路。按圖中從下到上順序垂直對齊疊放各試塊、熱電偶、高電阻箔式加熱器、上絕緣體、加壓板等（注意，熱電偶的熱結(jié)點應(yīng)放在接觸面中心處），并用螺母整體固定。調(diào)整電位差計（見其使用說明書），將量程轉(zhuǎn)換開關(guān)打倒lmv檔。用電位差計測量初始時刻兩個加熱面熱電勢（溫度）。若兩個熱電勢差值在4“v以內(nèi)（或溫度差值在0.1°C以內(nèi)），實驗可以進行下去，將初始時刻上、下加熱面與中心平面熱電勢記錄到實驗報告中。

交流穩(wěn)壓電源通電，秒表開始計時。每隔2分鐘，用電位差計測量上下加熱面與中心平面熱電勢一次，記錄到實驗報告中。調(diào)整高電阻箔式加熱器兩端電壓，使通電后10?30分鐘達到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段時At^5°Co達到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段后，用電位差計測量上、下加熱面與中心平面熱電勢、標(biāo)準(zhǔn)電阻上電壓，記錄到實驗報告中。關(guān)掉電源，取出試塊等，還原裝置與儀表。4實驗報告1.原始與測量記錄室溫：29-C試材時間(min)熱電偶熱電勢(mV)名稱：有機玻璃長度(m)0.2寬度(m)0.2厚度(m)0.01下加熱面上加熱面中心熱面01.1951.1961.19521.2111.2121.19641.2181.2191.20061.2241.2251.205標(biāo)準(zhǔn)電阻81.2291.2301.210名稱：BZ3直流型標(biāo)準(zhǔn)電阻電阻(G)0.01電壓(V)25101.2331.2351.215121.2411.2421.223141.2451.2461.228161.2491.2501.233181.2531.2541.237加熱器201.2571.2581.241名稱:康銅箔電阻(G)上104.09下105.02加熱面積F(nF)0.004221.2601.2611.245241.2641.2651.249261.2681.2681.253281.2711.2711.257**下加熱面-?-上加熱面中間面由圖示可認(rèn)為從第12分鐘以后導(dǎo)熱進入準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)，上下加熱面與中間面電勢差大約0.016mV,根據(jù)熱電勢與溫度對照表換算成溫差約為0.4C。數(shù)據(jù)處理及誤差分析通過每個高電阻箔式加熱器電流I;11=254-104.09^0.240(A) 12=254-105.02~0.238(A)通過每個高電阻箔式加熱器熱流密度qc；ql二O.Mx104.09一0.04二149.890q2=0.2382X105.02十0.04=148.720材料的導(dǎo)熱系數(shù)九.2149.89X0.014-24-0.4=1.87或2148.72X0.014-24-0.4=1.865思考題準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)的區(qū)別何在？非穩(wěn)態(tài)過程溫度場隨時間變化，受初始條件影響很大；準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段溫度變化率與環(huán)境溫度變化相同，受初始條件影響己很小。嚴(yán)格地說，本實驗是否是一維導(dǎo)熱，為什么？嚴(yán)格來說，本實驗不是一維導(dǎo)熱。因有機玻璃試件和加熱箔不是無限大，溫度不只沿厚度變化，尤其在邊緣處向四周散熱。若實驗中去掉上、下絕熱體，對實驗結(jié)果有和影響？因無限大平板中間面相當(dāng)于一個絕熱面，實驗中上下絕熱面的作用就是使加熱面兩側(cè)的試樣